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卷盘式喷灌机因具有机动性强、方便检修、喷洒均匀度较高等优点,现已成为我国最具有发展前景的农业灌溉装备之一。然而由于传统方案设计的弊端,使得其配套的核心部件圆柱齿轮减速传动效率较低,尤其是在低负载、低转速的工况下,传动效率远远小于同类型的减速箱,能耗损失较为严重。同时减速箱传动轴尤其是与卷盘相连接的输出轴在高负载工况下使用寿命较低,容易产生断裂现象,故针对上述问题本文基于JP75型卷盘式喷灌机配套的圆柱齿轮减速箱进行优化仿真,并对其整机能耗仿真计算,其研究内容如下所示:1.优化设计了卷盘式喷灌机中的圆柱齿轮减速箱。建立了卷盘式喷灌机负载模型,得出了减速箱负载区间在6.63N×m266.76N×m之间;分析减速箱能耗损失形式,推导出减速箱传动效率理论数学模型;完成了对减速箱齿轮系统的优化设计,以减速箱最低效率点和齿轮总体积为优化目标,选取设计变量,同时基于圆柱齿轮啮合传动设计准则,建立约束函数,运用快速非支配排序遗传算法NSGA-II在Matlab中编写相关程序,对减速箱齿轮系统进行多目标优化。优化后减速箱整体传动效率提高了8.5%21.2%,同时齿轮总体积有所降低,整体结构变得更加紧凑。2.对优化后的减速箱齿轮系统进行刚柔耦合动力学仿真分析。通过对模型进行合理简化,建立齿轮系统第四档三维模型,采用ANSYS软件基于蜘蛛网法对高转速、高负载的两对齿轮副进行柔性化处理,同时通过STEP函数施加最大工况下的负载与转速。仿真结果表明:齿轮系统传动比误差较小;柔性体齿轮副时域内的啮合力在理论值附近上下波动,轴向力几乎为0N,频域内振动幅度较小,说明运行较为平稳;齿轮16在齿根处存在最大等效应力294MPa,且齿根弯曲疲劳强度安全系数超过1.6,并通过有限元分析软件预测减速箱齿轮疲劳寿命超过1.85×105h,说明优化后的减速箱符合设计要求。3.采用响应曲面优化法对输出轴结构进行优化设计。通过对输出轴进行静力学分析可知输出轴最大等效应力为311MPa,强度安全仅为1.14,同时存在应力集中现象。采用SolidWorks对输出轴进行参数化建模,并选取输出轴结构R1、R2、R3、R6这4个尺寸作为设计变量,通过响应曲面优化法对输出轴结构进行优化设计,并对数据进行拟合度评价、敏感度分析、以及变量组合对目标函数的影响分析,进而得出最优方案。对比之前,优化后输出轴最大等效应力降低了8.36%,质量减轻了7.8%,虽然最大形变量有所增加,但是其影响可忽略不计,同时应力集中现象有所好转;最后对优化后的输出轴进行约束模态分析,以确保优化后的输出轴不会产生共振现象。4.基于逆向仿真法建立卷盘式喷灌机整机能耗仿真模型。通过在Simulink仿真平台建立起各个模块运行框图并将其串联,得到单次作业下的整机能耗仿真框图;以PE管全部展开的前提工况下,分析减速箱不同档位下,喷头车不同运行速度的整机能耗值,并分析电机效率的变化范围,得出减速箱不同档位下,能耗最低时的喷头车运行速度范围。